Aeolus: la missione ESA per studiare i venti sulla Terra

APPROFONDIMENTO – C’era bisogno di lanciare un satellite che raccogliesse dati sull’atmosfera terrestre e sui venti? La risposta è ovviamente sì, anzi per comprendere il meteo sul pianeta e il clima della Terra non si poteva più attendere. Gli scienziati dell’ESA hanno così finalmente lanciato la missione Aeolus lo scorso 22 agosto dalla base di Korou, in Guyana Francese: un satellite dal peso di 1360 chilogrammi che porterà nello spazio Aladin, un laser progettato in Italia e realizzato da Leonardo che sonderà con impulsi a luce ultravioletta l’atmosfera terrestre, fornendo dati in tempo reale sul movimento dei venti e sulle interazioni con le particelle disperse nell’aria.

La missione Aeolus prende il nome da Eolo, la divinità greca custode dei venti, e fa parte della famiglia di missioni Earth Explorers dell’Agenzia spaziale europea, costituite da una serie di satelliti che hanno come obiettivo proprio lo studio della Terra. L’esigenza di un profilatore dei venti nasce dalla mancanza di misurazioni dirette dei profili di vento globale, come dichiarato dall’Organizzazione Meteorologica Mondiale.

Si tratta di dati fondamentali non solo per fare previsioni meteo a breve termine più accurate, ma necessari per determinare l’influenza del vento nello scambio di calore e umidità tra la superficie e l’atmosfera terrestri, che è indispensabile per comprendere i cambiamenti climatici. Josef Aschbacher, direttore ESA dei Programmi di Earth Explorers, ha commentato:

“Aeolus porta con sé uno strumento nuovo nel suo genere e utilizza un approccio completamente nuovo per la misurazione del vento dallo spazio. Sviluppare una tecnologia così pioneristica la rende una missione decisamente impegnativa, ma grazie a tutti i team coinvolti ora siamo felici che questo straordinario satellite sia in orbita e ci auguriamo che risponda alle aspettative”.

Una missione che non ha solo scopi scientifici e di ricerca di base, ma che porterà benefici concreti anche alla società e applicazioni riscontrabili nel quotidiano. Se infatti negli ultimi anni le previsioni meteo hanno fatto considerevoli passi avanti, i dati raccolti dal satellite permetteranno un miglioramento dei modelli meteo che potranno essere utilizzati anche per studiare la qualità dell’aria, valutando anche le previsioni relative alla presenza di particelle sottili e polvere, dunque fornendo dati precisi sullo stato dell’inquinamento dell’aria.

Aeolus e Aladin a caccia dei profili di vento

Per la Atmospheric Dynamics Mission Aeolus, ADM Aeolus, gli scienziati e ingegneri dell’ESA hanno progettato un satellite dal peso di 1360 chili che orbita in sincronia con il Sole seguendo un’orbita crepuscolo-alba a 320 chilometri dalla superficie terrestre. Si tratta di un’orbita relativamente bassa, un buon compromesso tra l’acquisizione delle misurazioni e un consumo di carburante al minimo, che duri per tutta la vita della missione. Il satellite infatti impiega 90 minuti per completare una singola orbita intorno alla Terra e sette giorni per coprire l’intero globo.

Le osservazioni del vento saranno eseguite dal lato “notturno” del satellite, per evitare il vento solare, ed è stato progettato in modo da avere una resistenza ai grandi sbalzi di temperatura a cui sarà sottoposto nel passaggio nell’ombra terrestre, che dovrebbe durare un massimo di 20 minuti per orbita.

Il vento rappresenta un aspetto estremamente dinamico e relativamente invisibile dell’atmosfera terrestre e per misurarlo gli scienziati hanno progettato uno strumento in grado di sondare l’atmosfera dallo spazio sfruttando un sofisticato lidar a effetto Doppler. Si tratta di Aladin, Atmosferic Laser Doppler Instrument, che è costituito da un potente laser, un grande telescopio e un ricevitore molto sensibile.

Il sistema laser genera una serie di corti impulsi luminosi invisibili a occhio nudo nello spettro dell’ultravioletto a 355 nanometri. La scelta dello spettro ultravioletto è stata dettata dal fatto che a questa lunghezza d’onda la retrodiffusione delle molecole atmosferiche è particolarmente forte. Il laser, composto da un complesso sistema di sorgenti e amplificatori, emette l’impulso a una data frequenza che viene poi amplificato.

Oltre al laser, Aladin è composto da un telescopio dal diametro di 1,5 metri realizzato in materiale ceramico leggero, tanto da pesare appena 55 chilogrammi nonostante le sue dimensioni e che viene utilizzato per raccogliere la luce retrodiffusa dall’atmosfera e dirigerla verso il ricevitore.

Una volta raccolta la luce, il ricevitore analizza lo spostamento Doppler del segnale diffuso rispetto alla frequenza dell’impulso laser trasmesso grazie a due analizzatori ottici: Rayleigh, che misura lo spostamento Doppler della diffusione molecolare, e Mie, che analizza la diffusione degli aerosol e delle goccioline d’acqua presenti nell’atmosfera. Infine, dei fotorivelatori altamente sensibili trasformano il segnale luminoso in elettrico, fornendo così i profili di vento che vengono poi trasmessi alla Terra.

Aeolus, il lidar e la trasmissione dati

Gli scienziati hanno scelto i lidar perché sfrutta il fenomeno della diffusione della luce e dell’effetto Doppler per acquisire dati sul vento. Il lidar invia gli impulsi luminosi ultravioletti e raccoglie i dati della luce che sono retrodiffusi dalle particelle di gas, la polvere e le goccioline d’acqua che si trovano nell’atmosfera terrestre.

Analizzando il tempo che intercorre tra l’emissione dell’impulso luminoso e la ricezione del segnale, gli scienziati sono così in grado di determinare la distanza delle dispersioni e l’altitudine rispetto alla terra. Le particelle così diffuse infatti si muovono nel vento e misurando l’effetto Doppler dettato dallo spostamento di queste particelle permette di misurare la velocità del vento stesso.

Per ottenere misurazioni di profili del vento che siano estremamente precise è necessario che il satellite sia dotato di un sistema di puntamento ad alta precisione ed estremamente stabile. Anche le temperature in gioco per il satellite durante le orbite hanno rappresentato una sfida tecnica non facile. Aeolus deve sopportare lo stress di cambiamenti termici anche molto forti, mentre Aladin è stato dotato di un complesso sistema di raffreddamento in grado di irradiare il calore in eccesso nello spazio.

Se la gestione del satellite è affidata al Centro europeo di operazioni spaziali dell’ESA in Germania tramite la stazione di terra di Kiruna in Svezia, la presa dati segue un iter diverso. I dati scientifici sono inviati alla stazione di Svalbard, in Norvegia, per essere poi trasmessi nel centro di Tromso per l’elaborazione. Dopo una prima analisi, i dati vengono inviati al Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio raggio di Reading, nel Regno Unito e all’osservazione del centro della Terra dell’ESA, ESRIN, a Frascati, in Italia. Proprio l’ESRIN è infatti responsabile della messa a disposizione dei dati agli utenti.

Perché studiare i venti sulla Terra?

Il Sole non irradia in maniera uniforme tutto il pianeta e l’atmosfera terrestre, ma vi sono zone che ricevono più calore generando delle differenze di temperatura, densità e pressione che provocano un movimento dell’aria: il vento. Proprio il vento porta aria calda ai poli e riporta aria fresca verso i tropici, generando la circolazione atmosferica che governa il meteo e il clima. È sempre il vento che bilancia le differenze di pressione tra le zone a bassa pressione superficiale, dette cicloni, e quelle ad alta pressione superficiali, gli anticicloni.

I venti continuano a soffiare intorno alla Terra, che ruota ed è sferica, fino a quando la differenza di pressione tra diverse aree del pianeta cambia. Sono soggetti alla forza di Coriolis, subendo una deflessione verso destra nell’emisfero boreale e verso sinistra in quello australe, che diventa via via più forte dall’equatore verso i poli.

Studiare i venti su scala globale è fondamentale per poter comprendere al meglio il clima e ottenere previsioni meteo affidabili grazie a misurazioni dirette in tempo reale dei profili di vento di tutto il pianeta. Per questo motivo la missione è stata progettata per generare circa 100 profili del vento ogni ora, fornendo informazioni anche sulle zone più remote.

La maggior parte delle osservazioni dirette del vento, a oggi, vengono da radiosonde che lanciate ogni giorno dalle stazioni meteo a terra, la maggior parte delle quali si trovano nell’emisfero boreale. Le informazioni sui venti nelle regioni remote, sugli oceani, nei tropici e nell’emisfero australe sono largamente indirette.

Previsioni meteo e cambiamenti climatici: gli obiettivi di Aeolus

Dall’agricoltura alla pesca, ai trasporti, al settore energetico o anche solo per pianificare la propria giornata: le previsioni meteo accurate sono fondamentali. Le previsioni offerte dalle stazioni meteorologiche si basano su modelli numerici e matematici che elaborano l’evoluzione del meteo per alcuni giorni a venire.

Si tratta di modelli che tengono conto delle interazioni tra vento, temperatura e umidità, ma non hanno la quantità di dati necessaria per poter fornire una simulazione, dunque una previsione, ad alta precisione. L’obiettivo di Aeolus è migliorare, grazie all’enorme quantità di dati che solo un sistema satellitare può offrire, la comprensione da parte degli scienziati delle interazioni tra precipitazioni, umidità e temperature per elaborare dei modelli matematico-numerici più accurati in grado di fornire previsioni meteo più affidabili.

Non solo i modelli potranno essere utilizzati per seguire e stimare al meglio la posizione e l’intensità di fenomeni violenti, come i cicloni tropicali o come El Niño, e migliorare l’accuratezza delle previsioni a corto raggio. Registrando e monitorando l’atmosfera, le condizioni meteorologiche e i cambiamenti che si verificano negli oceani terrestri e sulla terraferma, gli scienziati avranno uno strumento potente per lo studio del clima e della sua evoluzione, per determinare gli effetti del riscaldamento globale e dell’inquinamento, aiutando a definire strategie di attenuazione che abbiano un impatto diretto sulla salute della società.

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